嵌入式系统课后复习答案

第一章1、式系统一般定义为以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括硬件和软件两部分。其中硬件包括嵌入式处理器/控制器/数字信号处理器（DSP）、存储器及外设器件、输入输出（I/O）程序嵌入式系统主要特征有：系统内核小；专用性强；运行环境差异大；可靠性要求高；系统精简和高实时性操作系统；部分代码固化在非易失性存储器中；系统开发需要专门的开发工具和环境嵌入式系统分类：48163264按软件实时性需求分类：可分为非实时系统（PDA）、软实时系统（费类产品）和硬实时系统（如工业实时控制系统）。按嵌入式系统的复杂程度分类：嵌入式系统可分为小型嵌入式系统、中型嵌入式系统和复杂嵌入式系统。2、嵌入式系统自底向上包含四个部分：硬件平台、硬件抽象层（HAL）、嵌入式实时操作系统（RTOS）、和实时应用程序。3、实时多任务操作系统（RealTimemulti-taskingOperationSystem，RTOS）简称实时操作系统，主要用来完成嵌入式实时应用的任务调度和控制等核心功能。第二章1、嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储器、I/O模块以及其他外部设备组成的。硬件系统的核心是嵌入式处理器。嵌入式系统中的处理器通常分为三大类，即微处理器（Micro-ProcessorUnit，MPU）、微控制器（Micro-ControllerUnit，MCU）和数字信号处理器（DSP）。存储器是构成嵌入式系统硬件的重要组成部分。存储器的物理实质是一组或多组具备数据输入/3RAMROM于二者之间的混合存储器。嵌入式处理器与通用处理器的最大区别在于嵌入式处理器集成了大量的不同I/OI/O2、什么是嵌入式外围设备？简要说明嵌入式外围设备是如何分类的。（P22~23）答：除了处理器和存储器，嵌入式系统硬件中还包括一些相关的硬件设备，称为外围设备。外设分为：内部外设和外部外设。外围设备的功能可分为：通信接口、输入输出设备、设备扩展接口、电源及辅助设备3、嵌入式操作系统的发展经历了哪几个阶段？（P28）答：嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展，大致经历了四个阶段：无操CPUInternet4、嵌入式操作系统的主要任务有哪些？（P28）答：嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。5、嵌入式系统的基本设计过程包括哪几个阶段？每一个阶段的主要工作有哪些？（P33）规格说明，系统结构设计、系统集成。需求分析阶段可细分为四个阶段：1、需求与规格说明2、确认需求3、简单的需求表格4、需求的内部一致性。6、实时系统定义：一个能够在指定的或确定的时间内，实现系统功能和对外部或内部、同步或异步事件做出响应的系统。常见的嵌入式实时操作系统分为：商用系统、专用系统、开放系统。7、操作系统的功能：处理机管理（进程管理）；存储管理（内存）；设备管理（含外设）；文件管理；用户接口8、比较用于嵌入式系统的无线通信方法?红外：红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；101007Wifi：Wi-Fi（PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，是当今使用最广的一种无线网络传输技术。Wi-Fi54mbps，符合个人和社会信息化的需求。Wi-Fi100mw，Wi-FiGSM系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低、机卡分离。GPRS：GSMGSMGPRSGPRS56114Kbps。在连接建立时间方面，GSM10-30GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求；而对于费用而言，GSMGPRSGPRSGSM。第3章指标ＲＩＳＣＣＩＳＣ一个周期执行一条指令，通过简单指令的组合指令长度不固定，执指令集实现复杂操作；指令长度固定行需要多个周期指令的执行需微代码流水线 流水线每周期前进一步的一个微程序用于特定目的的专用寄存器指标ＲＩＳＣＣＩＳＣ一个周期执行一条指令，通过简单指令的组合指令长度不固定，执指令集实现复杂操作；指令长度固定行需要多个周期指令的执行需微代码流水线 流水线每周期前进一步的一个微程序用于特定目的的专用寄存器更多通用寄存器寄存器Load/store独立的Load/store指令完成数据在寄存器和处理器能够直接处理结构外部存储器之间的传输存储器中的数据ARMARM采用了很简单的结构——精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer，RISC）体系结构来进行实现。2、简述ARM的设计思想及其与单纯的RISC定义的不同。（P48~49）答：ARMRISCARM的需要，ARMRISCl一些特定的指令周期数可变l内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令lThumb16位指令集l条件执行3、ARM体系结构版本的命名规则有哪些？简单说明ARM7TDMI的含义。（P50）答：ARM产品通常以ARM[x][y][z][T][D][M][I][E][J][F][-S]形式出现。ARM体系结构的命令规则中这些后缀的具体含义x系统，如ARM7、ARM9 y 存储管理/保护单元 z TThumb16位译码器（T变种） D JTAG调试器M长乘法指令（M变种） I嵌入式跟踪宏单元 E增强DSP指令（E变种J java加速器（J变种） F向量浮点单元 S可综合版本。ARM7TDMIARM7Thumb（T）、JTAG器、长乘法指令（M）和嵌入式跟踪宏单元的功能。4ARM9ARM7（P55~56）ARM7（取指令、译码、执行）和采用冯·ARM95（预取、译码、执行、存储器、写回）。RM7ARM930%的提升。5、ARMARMThumb237（31，6）。ARM种指令集：ARMThumbARM32Thumb16位长度第4章 ARM微处理器的编程模型与指令系统1、ARM式？（P64）答：ARM76（PrivilegedModes）；而除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式（ExceptionModes），常用于处理中断或异常。2、ARM体系结构的存储器格式有哪几种？（P64~65）答：ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式（big-endian）和小端格式（little-endian）。大端格式：字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中；小端格式：低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。3、ARM状态下和Thumb状态下寄存器的组织有何不同？（P69~70）答：ThumbARM8（R7～R0）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）寄存器（LR）CPSRSP、LRSPSR。在ThumbR8～R154CPSR位。（P67~68）答：CPSR当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。条件码标志位：lN当用两个补码表示的带符号数进行运算时，N=1数；N=0lZZ=1表示运算的结果为零；Z=0表示运算的结果为非零；lC①加法（CMN）运算结果产生进位时（无符号数溢出C=1C=0。②减法（CMP）运算产生借位（无符号数溢出），C=0C=1。③对于包含移位操作的非加/减运算指令，ClV①对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出。lCPSR8（I、F、TM[4：0]）些位可以被改变。状态寄存器（PSR）PSR控制位时，保留位不要被改变，在程序中也不要使用保留位来存储数据。5、ARM中应该如何处理？（P70~71）答：ARM预取中止、数据中止、外部中断请求、快速中断请求。具体地：l当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异常处理程序处执行；l当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。lSWI作指令。l若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常；l若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常lCPSRI0IRQ常。系统的外设可通过该异常请求中断服务；lCPSRF0FIQ常。6、ARM指令有哪几种寻址方式？试分别叙述其各自的特点并举例说明。（P77）答：ARM7点分别是：l立即数寻址：操作数本身就在指令中给出。如：ADD R0，R0，#0x3fl寄存器寻址：指令中地址码给出的是寄存器编号。如：ADD l寄存器间接寻址：寄存器中的值作为操作数的地址，操作数本身存放在储器中。如：ADD R0，R1，[R2]l基址变址寻址：将寄存器的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而到一个操作数的有效地址，用于访问基址附近的存储器单元。如：LDR R0，[R1，#4]l多寄存器寻址：块拷贝寻址。如：LDMIAR0，{R1，R2，R3，R4}l堆栈寻址：用堆栈作为地址。如：STMFDSP！{R1-R7，LR}l相对寻址：以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为移量，将两者相加之后得到操作数的有效地址。如：BL NEXTl8R00x8000，R1、R20x010x10，PCSTMIB R0！，{R1，R2} LDMIA R0！，{R1，R2}答：(1)R0,0X80040x01,0X8008(2)R00x01,0X80040x10.第五章3、说明嵌入式操作系统进程调度的几种策略，并说出不同之处和优缺点。（P105~108）答：实时调度方法大致可以划分为以下几类：离线和在线调度：离线调度算法具有确定性，但缺乏灵活性，适用于那些特性能够预先确定，且不容易发生变化的应用。在线调度算法的调度信息则在系统运行过程中动态获得，在线调度算法在形成最佳调度决策上具有较大的灵活性。抢占和非抢占调度：在抢占式调度算法中，正在运行的任务可能被其他任务所打断，抢占式调度算法，使关键任务能够打断非关键任务的执行，确保关键任务的截止时间能够得到满足，抢占式调度算法要更复杂些，且需要更多的资源，并可能在使用不当的情况下会造成低优先级任务出现长时间得不到执行的情况。非抢占式调度常用于那些任务需要按照预先确定的顺序进行执行，且只有当任务主动放弃CPU资源后，其他任务才能得到执行的情况。静态和动态调度：在静态调度算法中，任务的优先级需要在系统运行前进行确定，且在运行过程中不会发生变化。在动态调度算法中，任务的优先级可根据需要进行改变，也可能随着时间按照一定的策略自动发生变化。4、嵌入式系统中进程间通信主要采用哪几种形式？（P110）答：嵌入式系统中进程间通信主要采用两种形式：共享内存和消息传递。二者在逻辑上没有什么区别，进程通信采用哪种方式，主要依赖实际需要。进程间通信也可以采用信号和管道的方式。6、嵌入式操作系统中的内存管理功能有哪些？并做简要阐述。（P120）答：嵌入式操作系统中的内存管理功能有：的内存空间，虚拟内存可以比系统中的物理内存大许多倍。内存保护：系统中每个进程有自己的虚拟地址空间，这些虚拟地址空间相拟内存机制允许内存区域被写保护，这样保护了代码和数据不被恶意应用重写。射中，文件的内容被直接链接到进程的虚拟地址空间。一份系统物理内存。享内存。如进程间通信需要共享内存。8、常用的linux操作系统采用怎样的内存管理机制和调度机制？（P130）答：Linux出一部分内存。为了支持虚拟存储器的管理，Linux（paging）的方式来载入进程。LinuxFIFO的，而第三种则并非实时的。第五章小结进程是可并发执行的、具有独立功能的程序在一个数据集合上的运行过3态。这个在就绪进程中选择一个进程，并使之运行的工作就叫进程调度，这是操作系统的一项重要任务。进程调度应使用恰当的调度算法，以确保公平。实时调度方法大致可以划4和试探性调度。2向的字节流，它可以把一个进程的标准输出与另一个进程的标准输入连接起来。广义的中断通常被分为中断、自陷和异常（exception）等类别。3导：保存中断现场，进入中断处理；②用户中断服务程序：完成对中断的具体处理；③中断后续：恢复中断现场，退出中断处理。存映射、公平物理内存分配和共享虚拟内存。Linux器的管理，Linux（paging）的方式来加载进程。Linux5态和停滞状态。Linux系统采用进程控制块负责记录和跟踪进程在系统中的全部信息。Linux5号量、消息列队和共享内存。第6章 嵌入式Linux开发环境及其在ARM上的移植1、试述嵌入式Linux系统移植的一般过程。（P141~142）答：嵌入式系统的开发和应用层软件的开发不同，有其自身的特点，尤其在开发流程上有很大的不同。从大体上讲，Linux系统移植一般分为下面几步：开发环境的搭建嵌入式系统移植过程中，目标机和宿主机往往在软硬件环境上有很大的不同，开发时常常在功能强大的宿主机上进行，这就形成了交叉开发环境的搭建与选择问题。同时由于宿主机和目标机在体系结构等方面的差异，编译时也需要采用交叉编译工具对目标代码进行编译，这样，才能使生成的可执行文件在目标机上能够执行。系统引导在微处理器第一次启动的时候，会从预定的、固定的地址空间开始执行指PCBIOS，Bootloader系统引导程序来完成上述功能，启动代码完全依赖于硬件，需要在系统移植中完成。内核引导BootloaderCPU植工作。设备驱动程序Linux内核源代码树中的相当大部分是各类驱动程序，在实际的开发过程LCD、网卡、触摸屏等等进行移植和编写。Linux设备驱动的任务主要是相近源码的移植修改工作。文件系统LinuxJFFS2、Cramfs、Romfs2、Linux系统中常用的交叉编译工具有哪些？简述它们的功能和基本用法。（P143~153）答：（1）GNUbinutilsBinutilsGNUCgccbinutils，gccGNUbinutils是一组开发工具，包括连接器、汇编器和其他用于目标文件和档案的工具。GUNcc（GUNCCompiler，gcc）GUNCC、C++、ObjectiveCmakemakefileglibcCopen，malloc，printfLinux的组成部分。gdbCC++程序的调试器（Debugger），它能使用户在程序运行时观察程序的内部结构和内存的使用情况。gdb中变量的值、设置断点以使程序在指定的代码行上停止执行、支持单步执行等。4、在嵌入式系统中使用Bootloader有哪些优点？（P245）Bootloader，EEPROMFLASH效率方面的考虑CPUROMFLASH（包含应用软件）的映ROMFLASHRAMROMFLASHRAMRAM操作系统的多样性一方面嵌入式系统可以采用很多不同种类的操作系统，同一种操作系统也可以有不同的版本。而且，嵌入式系统的应用软件又常常与操作系统连成一体，这就更增加了系统映像的多样性。另一方面，嵌入式系统的硬件提供商所面对的通常是二次开发商而不是最终用户，往往并不清楚最终用的是什么操作系统，或者手中并无目标操作系统的映像。所以，最好的办法是先在硬件中装上一个引导加载程序，而让二次开发商提供具体的操作系统映像，这样就为采用不同版本，甚至完全不同的操作系统（以及应用程序）映像提供了灵活性。存储地与执行地分离特别是在嵌入式系统的调试阶段，更换系统的可执行映像是很频繁的事情，EPROMFLASH来一些技术上的问题。这说明映像的存储地与执行地应该分离。调试/排错方面的考虑调试/RAMROMFLASH通过这种方法设置断点了。嵌入式系统独特的开发模式嵌入式系统的操作系统内核往往与应用软件静态地连接在一起，而且程序的开发通常是在另一台“主机”上进行，所以每次修改程序以后就得把新的映像“下载”到目标机中，此时就得依靠目标机的引导加载程序。5、简述Bootloader的概念和Bootloader的操作模式。（P247~248）答：Bootloader口，进入特权模式，关闭各种模式中断，然后开始做各种初始化工作。BootloaderBootloader区别。启动加载（Bootloading）模式这种模式也称为“自主”（Autonomous）BootloaderRAMBootloader下载（Downloading）模式BootloaderBootloaderRAMBootloaderFLASH6、Linux剪主要有哪几种方法？（P162~164）Linux点对源代码的修改，比如内核的启动部分、存储设备的大小、具体的驱动问题等等；另一方面是功能模块的裁剪，主要是对内核功能的配置，包括支持的文件类型、外设模块等等。总体上讲，针对硬件的修改有两种方法：法从头设计，即从硬件的需求考虑逐步地采用分析、设计、编码、测试。大多数情况下，是在前人工作的基础上修改己有的代码。Linux不同的部分即可。嵌入式Linux内核功能模块的裁剪主要有三种方法：Linux修改内核源代码，进行内核裁剪。基于系统调用关系，进行内核裁剪8、什么是文件系统？常用的嵌入式文件系统有哪些？（P169~170）答：文件系统是指在一个物理设备上的任何文件组织和目录，它构成了Linux系统上所有数据的基础，Linux程序、库、系统文件和用户文件都驻留其式系统，仅包含内核是不够的，还必须有文件系统的支持。Linuxext2（LinuxExtended-2）、minixFAT）、n